【導(dǎo)讀】要想深入了解EMI濾波技術(shù)就要首先知道電源線上的干擾,本文涵蓋電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容,分析電磁干擾的類型、電源線濾波器的基本原理,總結(jié)了電源線用EMI濾波的關(guān)鍵技術(shù)。
1.電源線上的干擾
如果用示波器觀察一下電力電網(wǎng),會發(fā)現(xiàn)50Hz的電壓上疊加著各種各樣的干擾電壓,既有mV級的連續(xù)干擾,也有數(shù)百V甚至上千V的瞬態(tài)干擾。這些干擾對電網(wǎng)中的設(shè)備會產(chǎn)生不同程度的影響。這些干擾是從哪里來的呢?
我們可以將這些干擾分為自然干擾源和人為干擾源。典型的自然干擾源是雷電,空中發(fā)生雷電時,會伴隨著強(qiáng)大的電磁場,電磁場會在空中的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電 壓,這就是干擾。雷電產(chǎn)生的干擾是如此之大,不僅能導(dǎo)致設(shè)備誤動作甚至造成電路損壞。人為干擾源可以分為以下兩種:
●功能性能量發(fā)射設(shè)備:這類設(shè)備靠發(fā)射能量工作,如無線電設(shè)備、雷達(dá)等,他們輻射到空間的能量會感應(yīng)到電力線上,形成干擾。另外,這些設(shè)備也會通過電源線直接將能量泄漏到電網(wǎng)上。
●非功能性發(fā)射設(shè)備:這類設(shè)備不依靠發(fā)射能量實現(xiàn)特定功能。但它們工作時,會向外發(fā)射額外的電磁能量。與工業(yè)、醫(yī)學(xué)上使用的高頻儀器、信息處理設(shè)備、含馬 達(dá)的家用電器、使用可控硅的家用電器、開關(guān)電源等。這些設(shè)備在工作時會向空間和電網(wǎng)上發(fā)射電磁能量。
以往,當(dāng)設(shè)備在干擾的作用下發(fā)生誤動作時,人們往往會將注意力集中到提高設(shè)備抗干擾性上,想方設(shè)法使設(shè)備能夠在干擾環(huán)境中正常工作。但這不是一個徹底的解 決辦法。就象人們意識到汽車尾氣造成的污染會導(dǎo)致疾病,為了能夠生存,雖然可以上街時戴上口罩,但這不是根本的解決辦法。徹底的方法應(yīng)該是控制尾氣排放, 形成一個良好的生存環(huán)境。
同樣,對于日趨嚴(yán)重的電磁污染,根本的解決方法是限制設(shè)備的電磁泄漏。另一方面,對于設(shè)備在電磁干擾環(huán)境中正常工作的能力也需要一個定量的規(guī)定,這就導(dǎo)致 了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。國家現(xiàn)在已將電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)實施,不滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不能銷售。
電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)(GB9254,GB4343,GJB151A等)的內(nèi)容:
1. 干擾發(fā)射:輻射發(fā)射;傳導(dǎo)發(fā)射
2. 敏 感 度:輻射敏感度;傳導(dǎo)敏感度;靜電放電敏感度
電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備提出兩個方面的要求,首先不能向空間環(huán)境發(fā)射過強(qiáng)的電磁能量,其次要對環(huán)境中的電磁干擾有一定的耐受能力。
2.電源線濾波器的作用
很多人認(rèn)為電源線濾波器的作用是使設(shè)備能夠電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對傳導(dǎo)發(fā)射傳導(dǎo)敏感度的要求,但這是不全面的;后面將看到電源線濾波器對抑制設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射 干擾方面也很重要。嚴(yán)格的說,電源線濾波器的作用是防止設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入電源線,同時防止電源線上的干擾進(jìn)入設(shè)備。電源線濾波器是一種低通濾波 器,它允許直流或50Hz的工作電流通過,而不允許頻率較高的電磁干擾電流通過。。電源線濾波器是雙向的,它既能防止電網(wǎng)上的干擾進(jìn)入設(shè)備,對設(shè)備產(chǎn)生不 良影響,使設(shè)備滿足傳導(dǎo)敏感度的要求;又能防止設(shè)備內(nèi)的電磁干擾通過電通過電源線傳到電網(wǎng)上,使設(shè)備滿足傳導(dǎo)發(fā)射的要求。
能夠產(chǎn)生較強(qiáng)干擾的設(shè)備和對外界干擾敏感的的設(shè)備都要使用電源線濾波器。能夠產(chǎn)生強(qiáng)干擾的的設(shè)備有:含有脈沖電路(微處理器)的設(shè)備、使用開關(guān)電源設(shè)備、 使用可控硅設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備、含有馬達(dá)的設(shè)備等。敏感電路如:使用微處理器的設(shè)備、小信號模擬電路等。
3.電源線上干擾的類型
電源線上的干擾電流按照其流動路徑分為兩類,一類是差模干擾電流,另一類是共模干擾電流。差模干擾電流是在火線和零線之間流動的干擾電流,共模干擾是在火 線、零線與大地(或其它參考物體)之間流動的干擾電流,由于這兩種干擾的抑制方式不同,因此正確辨認(rèn)干擾的類型是實施正確濾波方法的前提。區(qū)分干擾電流是 差模還是共??梢詮娜齻€方面進(jìn)行判斷:
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a. 從干擾源判斷:
雷電、設(shè)備附近發(fā)生的電弧、設(shè)備附近的電臺和其它大功率輻射裝置在電源線上產(chǎn)生的干擾是共模干擾;另外,如果發(fā)現(xiàn)電源線上的干擾是來自機(jī)箱內(nèi)的線路板或其 它電纜,則為共模干擾;這是因為通過空間感應(yīng)在火線和零線上的干擾電流是同相位的。在同一電力線上工作的馬達(dá)、開關(guān)電源、可控硅等會在電源線上產(chǎn)生差模干 擾。
b. 從頻率上判斷
差模干擾的頻率主要集中在1MHz以下,而共模干擾的頻率一般分布在1MHz以上。這是由于共模干擾是通過空間感應(yīng)到電源線上的,這種感應(yīng)只有在干擾信號頻率很高時才容易發(fā)生。
c. 用儀器測量
如果有一臺頻譜分析儀和一只電流卡鉗就可以進(jìn)行測量。電流卡鉗實際上是一個繞在磁芯上的線圈,當(dāng)被測電纜穿過卡鉗時,就形成了一個變壓器;被測導(dǎo)體相當(dāng)于 變壓器初級,卡鉗中的線圈相當(dāng)于變壓器次級,電纜上的信號會耦合到卡鉗中的線圈上,用頻譜分析儀可以檢測出來。
判斷步驟如下:
● 步驟一:將卡鉗卡在火線或零線上,記錄下某個感興趣頻率的干擾信號的強(qiáng)度l(f1)
●步驟二:將卡鉗同時卡住火線或零線,若觀察不到l(f1),則l(f1)完全是差模干擾,其中不含共模成份;,若還能觀察到l(f1),則l(f1)中包含共模干擾成份,要判斷是否僅含共模成份,需進(jìn)行步驟三的判別。
●步驟三:將卡鉗分別卡住火線或零線,若兩根線上測得的l(f1)的幅度相同,則l(f1)僅含共模成份;若不相同,則l(f1)中還包含差模成份。
4. 電源線濾波器的基本原理
電源線濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成,它允許直流或50Hz電流通過,對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減。由于干擾信號有差模和共模兩種,因此電源濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。
地線一般是金屬機(jī)箱,當(dāng)設(shè)備機(jī)箱不是金屬材料時,濾波器的地線一般與安全地相連;但由于安全地的阻抗很大,濾波器對共模干擾的衰減效果將大大降低。
5. 電源線濾波器的主要指標(biāo)
當(dāng)我們選用電源線濾波器時,應(yīng)主要考慮三個方面的指標(biāo);首先是電壓/電流,其次是插入損耗,最后是結(jié)構(gòu)尺寸。由于濾波器內(nèi)部一般是經(jīng)過灌封處理的,因此環(huán) 境特性不是主要問題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對電源濾波器的環(huán)境特性有一定的影響。
a)電壓、電流對使用效果的影響
電源有交流直流之分,與此相對應(yīng),許多廠家的電源線濾波器也分為交流和直流兩種。從原理上講,交流電源線濾波器既可用在交流電源上,也可在直流電源上使 用;但直流電源線濾波器不能用在交流的場合,這主要因為直流濾波器中的電容器的耐壓較低,并且有可能其交流損耗較大,導(dǎo)致過熱。即使直流濾波器耐壓沒有問 題,由于直流濾波器中使用了容量較大的共模濾波電容器,如果在交流的場合會產(chǎn)生漏電流超標(biāo)的問題。因此,直流電源線濾波器絕對不能用在交流的場合。交流濾 波器用在直流場合,從安全的角度看沒有問題,但要付出成本和體積的代價;在樣機(jī)階段,如果手頭正好有交流濾波器,可以代替直流濾波器。
當(dāng)電源線濾波器的工作電流超過額定電流時,不僅會造成濾波器過熱,而且會導(dǎo)致濾波器的低頻濾波性能降低。這是因為濾波器中的電感在較大電流的情況下,磁芯 會發(fā)生飽和現(xiàn)象,使實際電感量減小。因此,確定濾波器的額定工作電流時,要以設(shè)備的最大工作電流為準(zhǔn),確保濾波器在最大電流狀態(tài)下具有良好的性能,否則當(dāng) 干擾在最大工作電流狀態(tài)下出現(xiàn)時,設(shè)備會受到干擾或傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。
在確定濾波器的額定電流時,要留有一定的余量;特別是人們習(xí)慣上對交流電稱“有效值”,而不是交流電的“峰值”,留有一定余量是非常有必要的。一般濾波器的額定電流值應(yīng)取實際電流值的1.5倍。
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b) 插入損耗對使用效果的影響:
從抑制干擾的角度考慮,插入損耗是最重要的指標(biāo)。插入損耗分為差模插入損耗和共模插入損耗。
6.影響電源線濾波器外形尺寸的因素
由于許多設(shè)備在設(shè)計之出并沒有考慮干擾濾波的問題,因此安裝濾波器的空間往往是一個很棘手的問題、。即使在設(shè)計時考慮到了電磁兼容的問題,人們往往會認(rèn)為 電源線濾波器是一個可有可無的選裝件,不愿意提供較大的空間。由此造成人們在選用濾波器時,經(jīng)常將濾波器的體積作為一項重要的指標(biāo)來考慮,總是希望濾波器 的體積越小越好。
為什么兩個濾波器的額定電流都是10A,而它們的體積會相差很多?你會毫不猶豫的選擇體積較小的一種?濾波器的體積主要由濾波電路中的電感所決定,電感線圈的體積越大,濾波器的體積越大。以下因素影響電感的體積:
a)額定電流:當(dāng)濾波器的額定工作電流較大時,電感線圈會使用較粗的導(dǎo)線繞制,這自然會增加體積;另外,為防止磁芯發(fā)生磁飽和現(xiàn)象,往往要使用體積較大的磁芯,這會增加體積;
b)低頻特性:當(dāng)需要濾波的干擾信號頻率較低時,共模扼流圈和差模扼流圈的電感量都需要很大,導(dǎo)致電感元件的體積增加。例如開關(guān)電源的頻率越低,則需要濾波器中的電感量越大;
表-1 給出了濾波器中共模電感與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和開關(guān)電源頻率的關(guān)系。
通過以上的分析,你是否還在刻意的追求濾波器的體積小?體積小的濾波器已使用了體積小的電感元件,它的電感為什么能?。渴菭奚穗娏魅萘?,還是犧牲了低頻特性?付出這些代價后,是否還能滿足最核心的要求——抑制電磁干擾?
另外,當(dāng)濾波器的體積較小時,內(nèi)部器件一定靠得很近,這會降低濾波器的高頻濾波性能,導(dǎo)致設(shè)備的輻射發(fā)射超標(biāo)。這在實際使用中要特別注意
表-1
電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)
共模電感的電感量(mH)
7.選用電源線濾波器是怎樣確定所需要的插入損耗
首先在設(shè)備的電源入口處不安裝濾波器,對設(shè)備進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度的測量,并與要滿足的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,看兩者之間相差多少分貝,濾波器的作用是彌補(bǔ)上 這個差距。以抑制設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射為例,給出了確定濾波器插入損耗的過程。首先將設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射值最大包絡(luò)線(a)與標(biāo)準(zhǔn)給出的限制值線(b)相比較,計算 其差值得到需要的插入損耗值(c)。由于電源線濾波器是低通濾波器將插入損耗線(c)變換為低通濾波器插入損耗的形式(d),(d)就是濾波器需要的插入 損耗值。
注意: (d)并不是低頻濾波器的特性,而是一個帶阻濾波器的特性,這是考慮到實際濾波器的非理想性(見下一節(jié))。
但如果從廠家的產(chǎn)品樣本上選擇插入損耗值滿足(d)的濾波器,十有八九會失敗。因為廠家產(chǎn)品樣本上的數(shù)據(jù)是在濾波器兩端阻抗為50Ω的條件下測得的,而實 際使用條件并不是這樣。因此在實際使用條件下,濾波器的插入損耗會有所降低。為了保險起見,在從產(chǎn)品樣本中選擇濾波器時,應(yīng)加20dB的余量,這就得到了 (e)。從樣本上選擇濾波器,其插入損耗應(yīng)滿足(e)的要求。
8.實際電源線濾波器與理想濾波器的差距
理想的電源線濾波器是低通濾波器,但實際的電源線濾波器通常是帶阻濾波器。造成這種差別的原因是電容器和電感器的非理想性。[page]
電容器的引線是有電感的,而電感線圈上又存在著寄生電容,盡管這些電感、電容很小,但當(dāng)頻率較高時,它們的影響是不能忽略的。因此由實際電感、電容器構(gòu)成的低通濾波器電路在頻率較高時,就變成了一個帶阻濾波器電路。
此外,高頻時器件之間的耦合也是造成濾波器在高頻區(qū)間插入損耗減小的一個原因。從圖可以看到,器件之間的距離對濾波器的高頻性能有很大的影響。這種影響在1MHz時就已經(jīng)很明顯了。
因此,即使濾波器的電路結(jié)構(gòu)完全相同,由于器件的特性不同、器件的安裝方式的不同、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,它們的高頻性能會差很多。濾波器的電路結(jié)構(gòu)僅決定了濾 波器的低頻特性。要想提高濾波器的高頻性能,生產(chǎn)時需要從許多方面注意制作工藝,如選用電感小的電容器、制作寄生電容小的電感、焊接時電容器的引線盡量 短、在內(nèi)部采取適當(dāng)?shù)母綦x等。
9. 電源線濾波器高頻插入損耗的重要性
許多人認(rèn)為,既然傳導(dǎo)發(fā)射極限值的頻率上限30MHz,那么就沒有必要對濾波器的高頻衰減提出要求。這是一個誤解,也正是存在這種錯誤的概念讓許多人在使設(shè)備滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的過程中走了很長彎路,浪費(fèi)了大量的時間和經(jīng)費(fèi)。
由于設(shè)備上的電纜是高效的輻射天線,當(dāng)電纜上有高頻傳導(dǎo)電流時,會產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射,使設(shè)備不能滿足輻射發(fā)射極限值的要求。因此,當(dāng)電源線上有高頻干擾電流 時,同樣也會產(chǎn)生輻射,使設(shè)備的輻射發(fā)射超標(biāo)。對于一個沒有電磁兼容經(jīng)驗的人來說,這個問題是很難發(fā)現(xiàn)的;因為當(dāng)他所開發(fā)的設(shè)備輻射發(fā)射超標(biāo)時,它會從機(jī) 箱、信號電纜等環(huán)節(jié)檢查(這是許多教科書和培訓(xùn)班中所介紹的),而根本想不到會是電源線的問題。
特別是設(shè)備的電源線傳導(dǎo)發(fā)射已經(jīng)滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求時,它絕想不到應(yīng)再次檢查電源線是否有問題,所以,電源線濾波器的高頻特性是十分重要的。
特別提示:當(dāng)設(shè)備的輻射發(fā)射不合格時,別忘記檢查電源線的共模傳導(dǎo)發(fā)射,很多場合輻射發(fā)射的超標(biāo)時由于電源線上的共模電流造成的。
10.將電源線濾波電路直接安裝在線路板上的利與弊
電源線濾波器的電路是如此簡單,一個誘人的想法是直接將濾波電路安裝在線路板上的電源線入口處,這樣既能夠節(jié)省空間,又能夠降低成本;另外,由于濾波器的 實際衰減特性與它所連接的網(wǎng)絡(luò)有關(guān),因此在實際使用中不可避免地要對濾波器的參數(shù)要進(jìn)行調(diào)整;將濾波器安裝在線路板上,能夠很方便的按照電路情況進(jìn)行調(diào) 整。
將濾波電路直接安裝在線路板上從電路的角度看是完全可行的,但是從電磁干擾濾波的實際情況看,有些問題。首先,如果希望濾波器具有良好的高頻特性(其重要 性前面已經(jīng)論述),Y電容的引線必須短,且應(yīng)直接連接到金屬殼上;當(dāng)濾波電路器件安裝在線路板上時,這一點是很難做到的,除非在設(shè)計線路板和安裝結(jié)構(gòu)時考 慮這個問題。其次,機(jī)箱內(nèi)線路板、電纜產(chǎn)生的輻射會直接感應(yīng)到濾波器電路上的各個部位,導(dǎo)致濾波器電路失效。這個問題在高頻時尤為突出。從理論上講,只要 能夠妥善解決以上的兩個問題,將濾波電路直接安裝在線路板上是完全可以的。
11.一個靈活的方案
如上所述,將濾波電路直接安裝在線路板上有許多好處;特別是設(shè)備功率較大或干擾頻率較低時(電源線濾波器的體積往往較大)、將濾波電路直接安裝在線路板上的方案更值得考慮。但是要解決上面所提到的高頻濾波問題,又是一個難點。
為了使設(shè)計人員方便的解決這個問題,本公司提供的方案是關(guān)鍵的器件安裝在機(jī)箱面板上的內(nèi)含電容濾波網(wǎng)絡(luò)的插座。這個插座內(nèi)部安裝了共模扼流圈和濾波電容 器,電容器的安裝嚴(yán)格遵循引線最短、前后隔離的原則。之所以僅使用共模濾波網(wǎng)絡(luò),是因為差模干擾已被線路板上的濾波器濾除,感應(yīng)到電源端口上的都是共模電 流。
按照用戶的特殊要求,濾波電容可以采用穿心電容;當(dāng)使用穿心電容時可以將濾波的有效頻率范圍提高到1GHz以上。
12. 電源線濾波器的正確安裝方法
電源線濾波器從外觀上看是一個兩端口網(wǎng)絡(luò),許多人認(rèn)為只要按照接線圖將濾波器串在設(shè)備和電源之間就可以了。這是一個十分錯誤的概念。下面通過講幾種連接方法的錯誤所在,使你了解和掌握應(yīng)該怎樣正確的安裝電源線濾波器。
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a)電源輸入線過長
這是一個很常見的錯誤;人們在安裝濾波器時,通常并不注意安裝位置,而是在機(jī)箱內(nèi)隨便找一個方便的位置,將濾波器固定好,然后將導(dǎo)線連接上,這樣就容易犯 圖示錯誤;這里的錯誤是濾波器的電源輸入端導(dǎo)線過長,其后果是電網(wǎng)上的干擾進(jìn)入設(shè)備后,還沒有經(jīng)過濾波器,就通過空間耦合到線路板上,對電路造成干擾。而 設(shè)備內(nèi)的干擾會直接感應(yīng)到電源線上,傳出設(shè)備。一定要記住,我們所涉及的電磁干擾都是頻率較高的,它們極易輻射和通過空間耦合。
發(fā)生這種錯誤的另一種情況是,大部分設(shè)備的電源輸入口安裝在設(shè)備后面板,而電源開關(guān)、指示燈等元件安裝在設(shè)備的前面板;這樣電源線進(jìn)入設(shè)備前面板后,先連 接到前面板,然后再連接到濾波器上;這時,盡管濾波器據(jù)電源線入口很近,但是仍會出現(xiàn)同樣的錯誤。
特別提示:不僅濾波器安裝的位置要靠近電源線的入口,而且濾波器的電源輸入線要短
b)濾波器輸入線、輸出線靠的過近:
濾波器的輸入線和輸出線捆扎在一起。這樣,高頻干擾信號實際會通過輸入線和輸出線發(fā)生耦合,而將濾波器旁路掉。
c)濾波器接地不良:
首先,我們必須明確濾波器的外殼必須“接地”,即必須接金屬或屏蔽機(jī)箱,這從濾波器的電路中可以看出,只有當(dāng)共模電容接地時,才能夠?qū)⒕€路上的共模干擾旁 路掉;同時為了對高頻起到有效的旁路作用,要求電容的引線越短越好。當(dāng)濾波器沒有接地時,電路中的共模濾波電容實際起不到作用的。
正是為了接地,濾波器的外殼上通常有一個專用的地線接線端子。雖然這個接線端子的目的是為了方便的安裝接地導(dǎo)線,但其卻造成了一種濾波器使用中常見的錯 誤;人們通常認(rèn)為只要將這個接地端子接地就可以了,因此在實際設(shè)備中,常常見到人們用一根長導(dǎo)線將濾波器連接到設(shè)備機(jī)殼上,這時,這根地線基本形同虛設(shè), 因為在高頻時,長導(dǎo)線的阻抗是很大的,根本起不到對干擾有效的旁路作用。下表給出了不同直徑、不同長度的導(dǎo)線在不同頻率下的阻抗。
正確的安裝方式是將濾波器的外殼大面積貼在金屬殼的導(dǎo)電表面上。濾波器的理想安裝方式:濾波器直接貼在電源入口處,并在接觸面上使用電磁屏蔽襯墊,利用外殼實現(xiàn)隔離。
另外下面的安裝情況也都是不正確的:濾波器與設(shè)備金屬殼之間有絕緣漆、濾波器根本沒有接地、或者通過緊固螺釘連接。
導(dǎo)線的阻抗(Ω)(導(dǎo)線長度=10厘米)
頻率(Hz)
直徑=6.5mm
直徑=2.7mm
直徑=0.65mm
特別提示:導(dǎo)線的直流電阻和交流阻抗是完全不同的,濾波器絕不能靠單根導(dǎo)線接地,而要與設(shè)備金屬外殼之間有大面積的導(dǎo)電接觸。
13.要注意信號電纜對電源線傳導(dǎo)發(fā)射的影響
由于電源線和信號電纜線通常安裝在一塊面板上,因此電源線和信號電纜線之間的耦合是不可避免的。這時,盡管電源線經(jīng)過精心處理,完全沒有問題,但是在測量 時會出現(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)的現(xiàn)象。這種干擾實際是從信號電纜上耦合過來的。這時如果不對信號電纜進(jìn)行處理,傳導(dǎo)發(fā)射是無法達(dá)標(biāo)的。實際上,當(dāng)信號電纜上有較強(qiáng) 的傳導(dǎo)干擾時,還會導(dǎo)致設(shè)備的輻射發(fā)射超標(biāo)。因此,遇到這種情況,一定要對信號電纜采取措施,如采取屏蔽或在接口處使用濾波器或濾波連接器。
判斷這種情況,只要將電源線周圍的電纜拔掉,再次測量設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射,觀察是否仍然超標(biāo);如果不超標(biāo)了,說明是信號電纜的影響。
14. 信號線濾波器的作用
信號線濾波器的主要作用是解決空間電磁干擾問題,例如設(shè)備向空間輻射較強(qiáng)的電磁干擾,或者設(shè)備對空間的電磁干擾敏感等問題。前面看到的信號線電纜和電源線 電纜之間的耦合導(dǎo)致傳導(dǎo)發(fā)射在高頻超標(biāo)的現(xiàn)象,就是由于信號線上的高頻干擾通過空間耦合到了電源線上造成的。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為信號電纜本身就是一條效率 很高的輻射和接收天線,它造成的危害如下:
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1)造成很強(qiáng)的超標(biāo)輻射:機(jī)箱內(nèi)的電磁能量在電纜上感應(yīng)出共模電壓和電流,共模電流在電纜上流動,產(chǎn)生了共模輻射。這種輻射往往是設(shè)備超標(biāo)輻射的主要原因。
2)設(shè)備周圍環(huán)境空間的電磁能量被電纜接收到后,形成共模電流,沿著導(dǎo)線傳進(jìn)機(jī)箱,一方面對與電纜直接連接的電路產(chǎn)生干擾,另一方面借助導(dǎo)線再次輻射,對機(jī)箱內(nèi)的其它電路(沒有直接與電纜連接的電路)造成干擾。
3)造成屏蔽體或隔離層被破壞,產(chǎn)生這種作用的原因也是電纜對電磁波的接收和再次輻射,導(dǎo)致電磁能量通過電纜泄漏,從現(xiàn)象上看就是屏蔽體的屏蔽效能降低。
理論和實踐均表明:設(shè)備上的電纜是電磁兼容上最薄弱的環(huán)節(jié)。信號線濾波器的作用就是解決上述三個方面的問題。下面的結(jié)論是十分重要的:
任何穿過屏蔽體或隔離體的導(dǎo)線或電纜都會破壞原有的屏蔽效果或隔離效果,對這些導(dǎo)線,必須采取濾波措施。
信號線濾波以共模濾波為主。這是因為電纜上感應(yīng)的電流一般都是共模形式的,而對信號電纜上傳輸?shù)牟钅P盘?,希望不產(chǎn)生任何影響。
15.怎樣在線路板上安裝信號線濾波器
當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)了電磁干擾問題時,許多有經(jīng)驗的工程師會在電纜的端口上安裝濾波電路(例如濾波電容、RC濾波電路、LC濾波電路等),但經(jīng)常達(dá)不到預(yù)期的效 果。這是因為我們忽視了兩個原因,一個是電纜上需要濾波的電磁干擾往往都是頻率很高的電磁信號(無論是接收到的空間干擾,還是設(shè)備內(nèi)傳導(dǎo)到電纜上的干 擾),而我們所作的大部分濾波電路對高頻干擾的濾波效果都是很差的(由于電容的引線電感、空間的寄生參數(shù)等)。另一個原因是,濾波器的安裝方式有問題(濾 波器接地不良,濾波器的輸入輸出端有耦合、空間耦合將濾波器旁路掉等),進(jìn)一步降低了濾波器的高頻濾波性能。要獲得預(yù)期的效果,需要注意以下幾點:
?。保└哳l特性較好的濾波器件
三端電容是一種特殊結(jié)構(gòu)的電容器,它與普通電容器的區(qū)別在于,它有三根引線,其中一個電極上有兩根引線。這樣一個微小的改變,卻使電容器的濾波效果發(fā) 生了很大的改善。普通電容的引線電感對于電容的高頻濾波的作用是有害的,而三端電容卻巧妙地利用了引線電感,構(gòu)成了一個T型低通濾波器。三端電容的高頻濾 波效果比普通電容改善了很多。如果在三端電容的兩根連在一起的引線上分別安裝一個鐵氧體磁珠,則會大大增加T型濾波器的濾波效果。這就是我們常說的片狀濾 波器。
?。玻V波器良好的接地
無論采用什么器件,這一點都是十分重要的。即使對于三端電容器,如果接地引線過長,引線的電感也是十分有害的,會使濾波性能大打折扣。對于濾除差模干 擾的濾波器,只要在布線時保證等效成電容的引線的走線盡量短就可以了,對于濾除共模干擾的濾波器,還要保證線路板與機(jī)箱之間的接地良好。一般可以通過簧片 或?qū)щ姴家r墊接地。另外,用于I/O接口濾波接地目的的地線要單獨(dú)安排,并且僅與線路板的其它地線在一點連接(這稱為“干凈”地)。當(dāng)使用π型濾波電路 時,這一點更重要。
?。常V波器并排安裝,否則,已經(jīng)濾波的和沒有濾波的信號之間會發(fā)生串?dāng)_,使總體濾波失效。當(dāng)需要濾波的引線較多時,使用多路濾波器(本公司有產(chǎn)品,分別對應(yīng)π型濾波電路和T型濾波電路)。
?。矗V波器與機(jī)箱上電纜接口之間的引線要短,可以加一個隔擋層。
16. 饋通型濾波器是解決電磁干擾的理想器件
由于電路的工作的頻率和周圍環(huán)境中的電磁干擾頻率越來越高,將濾波器安裝在線路板上所暴露出的高頻濾波不足的問題日益突出。解決高頻濾波的根本方法是使用 饋通型濾波器。饋通型濾波器安裝在金屬面板上,具有很低的接地阻抗,并且利用金屬面板隔離濾波器的輸入和輸出,因此濾波器具有非常好的高頻濾波效果。
饋通濾波器的使用方法有以下三種:
1)安裝在屏蔽體(屏蔽箱和屏蔽機(jī)箱等)的面板上
這是最基本的使用方法,當(dāng)有導(dǎo)線穿過屏蔽體時就需要在屏蔽體面板上安裝饋通濾波器,使導(dǎo)線通過饋通濾波器穿過屏蔽體。
2)安裝在線路板的地線層上
再多層線路板上,可以利用線路板的的地線層作隔離層和接地層。
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3)安裝在線路之間的隔離板上
當(dāng)條件不具備,饋通濾波器不能安裝在屏蔽體面板或地線面上時,安裝在金屬隔板上也具有普通電容(包括三端電容)不可比擬的高頻濾波作用。
饋通濾波器焊接式安裝和螺紋安裝兩種。焊接式安裝的優(yōu)點是節(jié)省空間,濾波性能可靠。但在將濾波器焊接到面板上時,由于面板的熱容量遠(yuǎn)大于濾波器的熱容量,因此焊接的局部溫度有可能達(dá)到很高,造成濾波器損壞。焊接時要注意控制焊接的時間和溫度。
螺紋安裝的方式簡單易行,可以在面板上打通孔,用螺母將饋通濾波器擰緊,也可以在面板上打帶螺紋的孔,將饋通濾波器直接擰上。無論是用哪一種方法,要注意 兩點,一是扭矩不能太大,饋通濾波器雖然從外表上看與螺釘一樣堅固,但是由于內(nèi)部是空心的,扭矩過大會造成損壞。二是在安裝時要套上鋸齒墊片,這樣可以保 持良好的接觸。
17.饋通濾波器的電路
濾波器的電路結(jié)構(gòu)C型(單個穿心電容)、L型(一個穿心電容加一個電感)、T型(兩個電感加一個穿心電容)、π型(兩個穿心電容加一個電感)等,濾波器的電路器件越多,則濾波器的過渡帶越短,阻帶的插入損耗越大。選用濾波電路的依據(jù)是:
?。保Ω蓴_的衰減量:濾波器的器件數(shù)量越多,一般對干擾信號的衰減越大(但有例外,當(dāng)沒有符合下面第3項的原則時,衰減量可能與器件數(shù)量較少的一樣)。
?。玻┯杏眯盘柵c干擾信號在頻率上的差別:有用信號與干擾信號的頻率相差越小,需要濾波器的器件數(shù)量越多。
?。常┦褂脼V波器電路的阻抗:一個基本原則是,濾波器中的電容對著高阻抗電路,電感對這低阻抗電路。這里所謂的高低,可以以50Ω為參考。
18.濾波陣列板與濾波連接器
濾波陣列板與濾波連接器是饋通濾波器的概念的兩種延伸。當(dāng)需要濾波的導(dǎo)線數(shù)量較多時逐個焊接和安裝是十分繁瑣的事,這時可以使用濾波陣列板與濾波連接器如圖所示。
濾波陣列板上的濾波器已經(jīng)由廠家使用特殊工藝焊接好,性能可靠,使用簡便。濾波陣列板上的濾波器的間隔為2.54mm,因此扁平電纜的接頭可以直接插上,避免了逐根焊線的繁瑣,便于組裝。濾波陣列板一般用在機(jī)箱的內(nèi)部。
對于機(jī)箱外部的電纜進(jìn)行濾波必須使用濾波連接器,這樣才便于電纜的插拔。一般濾波連接器的外形尺寸與普通連接器是完全相同的,可直接取代普通連接器。不同的是濾波連接器的每一個針(孔)上安裝了一個低通濾波器,濾除信號線上的高頻干擾。
使用濾波陣列板時,要注意的問題是:一定要在濾波陣列板與安裝面板之間安裝電磁密封襯墊,否則在縫隙處會有很強(qiáng)的電磁泄漏。
19.自制濾波連接器
濾波連接器對與電纜造成的干擾十分有效。但濾波連接器的價格一般較高,并且不是所有型號的連接器都有對應(yīng)的濾波連接器。這給實際工程帶來很大不便。如果對 空間的限制不嚴(yán),可以自己制作濾波連接器,其效果與成品相同(甚至更好,因為有些成品濾波連接器內(nèi)的濾波器件接地不太可靠),只是需要額外的加工費(fèi)和安裝 空間。
自制濾波連接器的方法有兩個,一個是在設(shè)備面板上安裝上選好的連接器后,在連接器的后面裝一個屏蔽盒,屏蔽盒上安裝饋通濾波器(或濾波陣列板)。另一個方法是將選好的連接器與饋通濾波器(陣列板)安裝在一個獨(dú)立的金屬盒內(nèi),構(gòu)成一個濾波部件。
20.怎樣確定濾波器的參數(shù)
選用濾波器時,最重要的三個參數(shù)額定電流、額定電壓和截止頻率。額定電流就是指流過濾波器的信號電流,一般很好確定。在確定額定電壓時往往會犯一些錯誤,而在確定截止頻率時往往感到困惑。
電壓的確定:如果所濾波的導(dǎo)線不會受到靜電放電、電脈沖、涌浪等高壓的沖擊,電路的工作電壓就是濾波器的額定工作電壓。如果不是這樣,例如,拖在設(shè)備外部的電纜,會受到高壓的沖擊,需要充分考慮到這種情況。一般額定工作電壓要達(dá)到200V以上。
截止頻率的確定:信號線濾波器的截止頻率定義是插入損耗為3dB時的頻率。截止頻率的選擇必須保證濾波器的通帶覆蓋功能信號的帶寬,保證設(shè)備的正常工作, 同時最大限度的濾除不必要的高頻干擾。對于模擬信號,截止頻率很好確定,只要保證截止頻率大于信號的帶寬即可。對于數(shù)字脈沖信號,截止信號可定為 1/πtr,tr是脈沖的上升/下降時間。如果是周期性脈沖信號,也可以取脈沖重復(fù)頻率的15倍作為截止頻率。
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濾波電容的確定:電容值越大,濾波器的截止頻率越低,對于單個電容的濾波電路而言,截止頻率為:Fco=1/(2πRpC),Rp是原電路阻抗與負(fù)載電路阻抗的并聯(lián)值。
21.鐵氧體材料在濾波中的應(yīng)用
電磁干擾抑制鐵氧體磁環(huán)、磁珠等由于使用方便、價格低廉而倍受設(shè)計人員的青睞,它的主要優(yōu)點如下:
1)使用非常方便,直接套在需要濾波的電纜上即可。
2)不像其它濾波方式那樣需要接地,因此對結(jié)構(gòu)設(shè)計、線路板設(shè)計沒有特殊的要求。
3)作為共模扼流圈使用時,不會造成信號失真,這對于傳輸高頻信號的導(dǎo)線而言非??少F。
電磁干擾抑制鐵氧體與普通鐵氧體的最大區(qū)別在于它具有很大的損耗,用這種鐵氧體做磁芯制作的電感,其特性更接近電阻。它是一個電阻值隨著頻率增加而增加的電阻,當(dāng)高頻信號通過鐵氧體時,電磁能量以熱的形式耗散掉。
要充分發(fā)揮鐵氧體的性能,下面一些注意事項十分重要:
A)鐵氧體磁環(huán)(磁珠)的效果與電路阻抗有關(guān):電路的阻抗越低,則鐵氧體磁環(huán)(磁珠)的濾波效果越好。因此,在一般鐵氧體材料的產(chǎn)品手冊中,并不給出鐵氧體材料的插入損耗,而是給出鐵氧體材料的阻抗,鐵氧體材料的阻抗越大,濾波效果也越好。
B)電流的影響:當(dāng)穿過鐵氧體的導(dǎo)線中流過較大的電流時,濾波器的低頻插入損耗會變小,高頻插入損耗變化不大。要避免這種情況發(fā)生,在電源線上使用時,可以將電源線與電源回流線同時穿過鐵氧體。
C)鐵氧體材料的選擇:根據(jù)要抑制干擾的頻率不同,選擇不同磁導(dǎo)率的鐵氧體材料。鐵氧體材料的磁導(dǎo)率越高,低頻的阻抗越大,高頻的阻抗越小。
D)鐵氧體磁環(huán)尺寸的確定:磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大,軸向越長,阻抗越大。但內(nèi)徑一定要包緊導(dǎo)線。因此,要獲得大的衰減,在鐵氧體磁環(huán)內(nèi)徑包緊導(dǎo)線的前提下,盡量使用體積較大的磁環(huán)。
E)共模扼流圈的匝數(shù):增加穿過磁環(huán)的匝數(shù)可以增加低頻的阻抗,但是由于寄生電容增加,高頻的阻抗會減小。盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個常見的錯誤。當(dāng)需要抑制的干擾頻帶較寬時,可在兩個磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。
F)電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù):增加電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù),可以增加低頻的阻抗,但高頻的阻抗會減小。這是因為寄生電容增加的緣故。
G)鐵氧體磁環(huán)的安裝位置:一般盡量靠近干擾源。對于屏蔽機(jī)箱上的電纜,磁環(huán)盡量靠近機(jī)箱電纜的進(jìn)出口。
H)與電容式濾波連接器一起使用效果更好:由于鐵氧體磁環(huán)的效果取決于電路的阻抗,電路的阻抗越低,則磁環(huán)的效果越明顯。因此當(dāng)原來的電纜兩端安裝了電容式濾波連接器時,其阻抗很低,磁環(huán)的效果更明顯。
鐵氧體磁芯的線圈在頻率較低時,仍然是一個電感,對于這種單個電感構(gòu)成的濾波電路而言,截止頻率為:Fco=1/(2πRsL),Rs是原電路阻抗與負(fù)載電路阻抗的串聯(lián)值。